激光焊接是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種焊接方法,即激光輻射加熱工件表面,表面熱量通過熱傳導(dǎo)向內(nèi)部擴(kuò)散,使工件熔化,形成特定的熔池。因此,激光光束的能量必須被塑料吸收,才能達(dá)到良好焊接效果(如圖1所示)。
圖1 激光焊接工藝示意圖
所以,塑料在近紅外區(qū)必須具備特殊光學(xué)性能才適用于激光焊接工藝,上層透過層需要保證透過近紅外激光,而下層吸收層則要保證吸收近紅外光。那么,塑料本身的光學(xué)性能是怎樣的呢?
從聚合物形態(tài)來說,非晶型聚合物僅吸收少量的入射光,可以獲得很高的穿透深度。
圖2 四種聚合物(未含添加劑)光譜圖
如圖2所示,四種非晶型聚合物在可見光區(qū)和近紅外區(qū)均表現(xiàn)出很高的透過率。由于結(jié)晶區(qū)的存在,結(jié)晶型聚合物的光學(xué)性能差異較大,激光在球晶區(qū)界面處發(fā)生折射或反射,穿透材料的行程更長,對激光的吸收率高于非晶型聚合物。
對于填充型聚合物材料來說,光學(xué)性能受到填充材料的影響較大。以玻纖為例,Val Kagan研究了不同玻纖含量的PA6增強(qiáng)樹脂的透過率(圖3),發(fā)現(xiàn)隨著玻纖含量的增加,材料的透過率是線性下降的。
圖3 玻纖含量對PA6透光率和光路長度的影響(leff:有效光路長度,0%玻纖作歸一化處理)
綜合而言,大部分聚合物(未添加其他物質(zhì))在近紅外區(qū)或多或少透過率都比較高,原理上無法作為吸收層應(yīng)用于激光焊接工藝。那塑料激光焊接工藝是如何實(shí)現(xiàn)的呢?特別是隨著設(shè)計(jì)美觀度的要求越來越高,激光焊接工藝對所焊接材料的要求也越來越復(fù)雜,除了常見的透明-黑色產(chǎn)品焊接,甚至?xí)泻谏?黑色產(chǎn)品、透明-透明產(chǎn)品、白色-白色產(chǎn)品等其他需求。
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